動的電圧スケーリング

コンピュータ アーキテクチャにおいて、動的電圧スケーリングは、コンポーネントで使用される電圧を状況に応じて増減する電力管理手法です。電圧を上げる動的電圧スケーリングは過電圧と呼ばれ、電圧を下げる動的電圧スケーリングは低電圧と呼ばれます。低電圧は、特にエネルギーがバッテリーから供給されるため限られているラップトップやその他のモバイル デバイスで電力を節約するため、またはまれに信頼性を高めるために行われます。過電圧は、パフォーマンスのためにより高い周波数をサポートするために行われます。

「過電圧」という用語は、コンピューターコンポーネントの静的動作電圧を上げて、より高速での動作を可能にすること (オーバークロック) を指す場合にも使用されます。

MOSFETベースのデジタル回路は、回路ノードの電圧を使用して論理状態を表します。これらのノードの電圧は、通常の動作中に高電圧と低電圧の間で切り替わります。つまり、論理ゲートへの入力が遷移すると、そのゲートを構成するトランジスタがゲートの出力を切り替える場合があります。

MOSFET の状態を切り替えるには、ゲート電圧をトランジスタのしきい値電圧より低い電圧から高い電圧へ（または高い電圧から低い電圧へ）変更する必要があります。ただし、ゲート電圧を変更するには、そのノードの容量を充電または放電する必要があります。この容量は、さまざまなソースからの容量の合計です。主に、トランジスタゲート容量、拡散容量、およびワイヤ（結合容量）です。

供給電圧が高くなると、充電および放電時のスルー レート(時間単位あたりの電圧の変化率) が速くなり、MOSFET のしきい値電圧を介した遷移が速くなります。さらに、ゲート電圧がしきい値電圧を超えるほど、トランジスタの伝導チャネルの抵抗が低くなります。これにより、RC 時間定数が低くなり、後続のロジック ステージの容量の充電および放電が速くなります。供給電圧が高くなると遷移が速くなるため、より高い周波数で動作できます。

最近の多くのコンポーネントでは、ソフトウェア ( BIOSなど) を介して電圧調整を制御できます。通常、CPU、 RAM、PCI、PCI Express (またはAGP ) ポートに供給される電圧は、PC の BIOS を介して制御できます。

ただし、一部のコンポーネントでは、供給電圧のソフトウェア制御が許可されていないため、極端なオーバークロックのためにコンポーネントに過電圧をかけようとするオーバークロッカーは、ハードウェアの変更が必要になります 。ビデオ カードとマザーボードの ノースブリッジは、供給電圧を変更するためにハードウェアの変更が必要になることが多いコンポーネントです。これらの変更は、オーバークロック コミュニティでは「電圧変更」または「Vmod」と呼ばれています。

アンダーボルティングとは、コンポーネント (通常はプロセッサ) の電圧を下げることで、温度と冷却要件を下げ、ファンを省略できるようにすることです。オーバークロックと同様に、アンダーボルティングはいわゆるシリコン ロッタリー (シリコンくじ) の影響を強く受けます。つまり、ある CPU は他の CPU よりもわずかに優れたアンダーボルティングを実現でき、その逆も同様です。

スタティックCMOSゲートを使用するチップによって消費されるスイッチング電力はで、 はクロック サイクルごとに切り替えられる容量、は電源電圧、はスイッチング周波数、^[1]、 はアクティビティ係数です。 は 2 乗なので、消費電力のこの部分は電圧の 2 乗で減少します。 ただし、この式は正確ではありません。最近のチップの多くは 100% CMOS を使用して実装されているのではなく、特殊なメモリ回路やドミノ ロジックなどの動的ロジックも使用しているからです。 さらに、静的リーク電流もあり、これは、フィーチャ サイズが小さくなり (90 ナノメートル未満)、しきい値レベルが低くなるにつれて、ますます顕著になっています。 ${\displaystyle \alpha \cdot C\cdot V^{2}\cdot f}$${\displaystyle C}$${\displaystyle V}$${\displaystyle f}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle V}$

したがって、動的電圧スケーリングは、携帯電話やラップトップ コンピューターなどのバッテリー駆動型デバイスのスイッチング電力消費を管理する戦略の一部として広く使用されています。低電圧モードは、CPU や DSP などのコンポーネントに関連する電力消費を最小限に抑えるために、クロック周波数の低減と組み合わせて使用​​されます。大きな計算能力が必要な場合にのみ、電圧と周波数が上げられます。

一部の周辺機器は低電圧動作モードもサポートしています。たとえば、低電力 MMC カードと SD カードは 1.8 V でも 3.3 V でも動作でき、ドライバー スタックはそれをサポートするカードを検出した後、低電圧に切り替えることで電力を節約できます。

リーク電流が電力消費の面で重要な要素となる場合、チップは多くの場合、チップの一部を完全にオフにできるように設計されます。これはソフトウェアに対して透過的ではないため、通常は動的電圧スケーリングとは見なされません。たとえばTI OMAP3プロセッサのようにチップの一部をオフにできる場合、ドライバーやその他のサポート ソフトウェアはそれをサポートする必要があります。

デジタル回路が状態を切り替える速度、つまり「低」( VSS ) から「高」( VDD ) に切り替わる速度、またはその逆の速度は、その回路の電圧差に比例します。電圧を下げると、回路の切り替えが遅くなり、回路が実行できる最大周波数が低下します。これにより、プログラム命令を発行できる速度が低下し、CPU に大きく依存するプログラム セグメントの実行時間が長くなる可能性があります。

これも、少なくとも CPU の場合、動的電圧スケーリングが一般に動的周波数スケーリングと組み合わせて行われる理由を浮き彫りにしています。特定のシステム、そのシステムにかかる負荷、および電力管理の目標に応じて、複雑なトレードオフを考慮する必要があります。迅速な応答が必要な場合 (モバイル センサーやコンテキスト認識コンピューティングなど)、クロックと電圧を同時に上げることがあります。それ以外の場合は、バッテリー寿命を最大化するために、クロックと電圧の両方を低く抑えることがあります。

167 プロセッサのAsAP 2チップにより、個々のプロセッサは、自身の電源電圧を非常に高速 (1 ～ 2 ナノ秒程度) かつローカルに制御された方法で変更できるようになります。プロセッサは、ローカル電源グリッドをより高い (VddHi) またはより低い (VddLow) 電源電圧に接続するか、どちらかのグリッドから完全に切り離して、リーク電力を大幅に削減できます。

別のアプローチでは、コアごとにオンチップスイッチングレギュレータを使用して動的電圧および周波数スケーリング（DVFS）を行います。^[2]

Unix システムはユーザー空間ガバナーを提供し、CPU 周波数を変更できるようにします^{[引用が必要]} (ただし、ハードウェア機能に制限されます)。

動的周波数スケーリングは、動的電圧スケーリングと同じ原理で機能する別の電力節約技術です。動的電圧スケーリングと動的周波数スケーリングはどちらも、プログラムまたはオペレーティング システムのクラッシュ、場合によってはハードウェアの損傷につながる可能性があるコンピュータ システムの過熱を防ぐために使用できます。CPU に供給される電圧を製造元が推奨する最小設定よりも下げると、システムが不安定になる可能性があります。

電圧レギュレータなどの一部の電気部品の効率は温度上昇とともに低下するため、温度上昇とともに消費電力が増加し、熱暴走を引き起こす可能性があります。電圧や周波数が上昇すると、CMOSの式が示すよりもさらに速くシステムの電力需要が増加する可能性があり、その逆も同様です。^{[3] [4]}

過電圧の主な注意点は、熱の増加です。回路によって消費される電力は、印加電圧の 2 乗に比例して増加するため、わずかな電圧の増加でも電力に大きな影響を及ぼします。温度が高くなると、トランジスタのパフォーマンスに悪影響が及び、あるしきい値を超えると、熱によるパフォーマンスの低下が、高電圧による潜在的な利点を上回ります。高電圧を使用すると、過熱や回路の損傷が急速に発生する可能性があります。

長期的な懸念もあります。ホットキャリア注入やエレクトロマイグレーションなどのデバイスレベルのさまざまな悪影響は、高電圧ではより急速に発生し、過電圧のコンポーネントの 寿命が短くなります。

過電圧による熱の増加を緩和するために、市販のクーラーで通常行うよりも高い天井としきい値を達成するために液体冷却を使用することをお勧めします。「オールインワン」(AIO) クーラーとも呼ばれるこれらのクーラーは、ラジエーターのファンを介してコンピューターケースの外部に熱を移動させることで、ユニットを冷却するはるかに効果的な方法を提供します。一方、空冷は影響を受けるユニットからの熱を分散させるだけで、全体的な周囲温度を上昇させます。^[5]

• 動的電圧および周波数スケーリング(DVFS)
• 動的周波数スケーリング
• パワーゲーティング
• 電力遅延積（PDP）
• エネルギー遅延積(EDP)
• スイッチング電源アプリケーション（SMPS）
• エネルギーの切り替え
• パワーランプ
• 過電圧
• 低電圧
• 電圧最適化

• Gaudet, Vincent C. (2014-04-01) [2013-09-25]. 「第 4.1 章 最先端の CMOS テクノロジの低電力設計手法」。ドイツのフライベルクで執筆。Steinbach, Bernd [ドイツ語] (編)。ブール領域における最近の進歩 (第 1 版)。ニューカッスル アポン タイン、イギリス: Cambridge Scholars Publishing。pp . 187–212。ISBN 978-1-4438-5638-6. 2019年8月4日閲覧。[1] (xxx+428ページ)